Image
11.6.2017 0 Comments

Mobilné siete pre internet vecí: Sigfox

IoT sa prezentuje ako obrovské množstvo „vecí“ prepojených navzájom a pripojených do internetu. Sú to rôzne snímače, riadiace obvody, akčné členy, napríklad diaľkovo ovládané ventily, pripojené autá, subsystémy inteligentných miest a podobne. V súčasnosti sa intenzívne rieši problém, ako čo najefektívnejšie pokryť územie sieťami vhodnými na komunikáciu týchto zariadení. V prvej časti nášho miniseriálu sa budeme venovať všeobecným atribútom komunikácie IoT a predstavíme technológiu Sigfox.

Rôzne komunikačné potreby

Niektoré senzory a akčné členy vystačia s komunikáciou pomocou krátkych, iba niekoľkobajtových správ, často iba jedným smerom. Iné zariadenia, napríklad kamery, prenášajú podstatne väčšie objemy údajov a vyžadujú vyššie prenosové rýchlosti. Pri pripojení nie je dôležitý len objem údajov a rýchlosť, ale aj možnosť, aby zariadenia boli dostupné a adresovateľné zvonku, čiže aby mali vlastnú identifikačnú adresu. Niektorým zariadeniam stačí komunikovať niekoľkokrát denne, iné potrebujú byť na príjme stále.

Limity sietí GSM

Na prvý pohľad by sa zdalo, že vymenované komunikačné potreby pokryjú existujúce siete GSM. Tie však majú vo všeobecnosti dva zásadné nedostatky. Operátori síce udávajú vysoké percentá pokrytia, no tieto údaje sa vzťahujú na obyvateľov, nie na pokrytie územia. Rozšírenie pokrytia aj na krajinu s členitým terénom je teoreticky možné, otázna je efektívnosť vynaložených nákladov. Kritický problém je však energetická náročnosť komunikácie GSM. Zariadenia IoT sú väčšinou autonómne, napájané z batérií a často ťažko dostupné, takže batéria by mala vydržať minimálne 2 až 5 rokov prevádzky. Niektoré zariadenia sú dokonca projektované na ešte dlhšiu prevádzku bez nutnosti výmeny batérie. Ak to zosumarizujeme, mobilné siete 2G/3G/LTE v oblastiach pokrytia sú vhodné na komunikáciu zariadení napájaných zo siete. Do úvahy sa, samozrejme, berie aj nákladová položka, no operátori GSM spravidla majú v ponuke aj programy na dátové prenosy malého objemu. Pre zariadenia, kde je rozhodujúca spotreba energie, a pre oblasti bez pokrytia sa však siete GSM nehodia. Preto vznikajú nové technologické riešenia, optimalizované pre špecifické potreby komunikácie v rámci IoT, predovšetkým na čo najnižšiu spotrebu energie komunikujúcich koncových zariadení. Pre tieto siete sa zaužívalo označenie LPWAN (Low Power WAN) a môžeme sem zaradiť siete Sigfox či LoRa.

Budovanie sietí pre IoT nie je len otázka technológií, ale aj stratégie biznisu v tom zmysle, či sa operátori týchto sietí budú snažiť spolupracovať s tradičnými mobilnými operátormi, ktorí prevádzkujú existujúce siete, alebo im budú konkurovať. Spolupráca prebieha tak, že firma či konzorcium dodá operátorovi technológie a operátor sieť s využitím existujúcej infraštruktúry, predovšetkým stožiarov a chrbticových sietí, vybuduje a bude ju aj prevádzkovať.


Vodomer posielajúci priebežné údaje

Úsporná prevádzka

Ako možno dosiahnuť, že zariadenie, ktoré priebežne niečo monitoruje a komunikuje, vydrží fungovať na malú lítiovú batériu niekoľko rokov? Z hľadiska energetickej náročnosti na prvý pohľad vyzerá ako žrút energie vysielanie. Z fyzikálneho hľadiska áno, no čo sa týka režimu prevádzky, je to presne naopak. Pri vysielaní zariadenie vyšle jeden alebo niekoľko krátkych paketov vtedy, keď samo uzná za vhodné, a potom môže byť aj niekoľko hodín v úspornom režime hibernácie. Napriek tomu, že vysielací modul má vysokú spotrebu, vyslanie jednej krátkej správy trvá napriek veľmi nízkej prenosovej rýchlosti krátko. Napríklad Sigfox využíva prenosovú rýchlosť 100 bit/s, čiže ak počítame aj réžiu prenosového protokolu, na vyslanie 12 bajtov potrebuje približne dve sekundy, takže aj pri pomerne častom vysielaní 140 správ denne je tento modul denne v prevádzke kratšie ako 5 minút, čo je ročne 30 hodín pri vysielacom výkone 25 mW. K tomu, samozrejme, treba pripočítať spotrebu mikroprocesora a periférnych zariadení, no tá môže byť pri dobre navrhnutom režime hibernácie minimálna. Vysiela sa buď v periodických intervaloch, alebo vtedy, ak zariadenie niečo signifikantné zistilo a potrebuje to poslať, napríklad prekročenie limitu sledovaného parametra. Pri vysielaní v periodických intervaloch sa posiela hodnota parametra priebežne, alebo ak zariadenie monitoruje, či nenastala porucha a všetko je OK, vysiela sa správa typu „fungujem a všetko je v poriadku“.

Zložitejšia je situácia s prijímaním údajov. Ak má zariadenie prijať údaje, musí byť či už stále, alebo v dohodnutých časových intervaloch v režime príjmu. Prijímací modul má rádovo nižšiu spotrebu než vysielací, no pri nepretržitom fungovaní by energiu z batérie rýchlo spotreboval.

V praxi prijímanie funguje tak, že riadiaci systém môže do zariadenia cez základňovú stanicu posielať správu s informáciou a záleží len na jeho režime, kedy správu prijme a spracuje. Najčastejšie sa zariadenie prepne do režimu príjmu po odoslaní správy. Keď sa už na odoslanie správy prebudil z hibernácie aj riadiaci mikroprocesor, prečo to nevyužiť. Navyše riadiaci systém napájaný zo siete, ktorý je na príjme stále, vie, že zariadenie je teraz chvíľu schopné správu prijať. Ak je vysielanie len sporadické, zariadenie sa môže do režimu príjmu prepínať častejšie periodicky. Tretí variant, keď je zariadenie stále na príjme, je nepomerne energeticky náročnejší.

Sigfox

Technológia francúzskej spoločnosti Sigfox využíva komunikáciu s využitím UNB (Ultra Narrow Band), teda veľmi úzkych frekvenčných kanálov a bunky tejto siete umožňujú pokryť oveľa väčšie územie než bázové stanice GSM. To umožňuje pokryť signálom požadované územie pri oveľa nižších investičných a prevádzkových nákladoch. Skôr než sa dostaneme k technickým aspektom tejto siete, spomenieme aj obchodnú stratégiu. Sigfox testuje obidva varianty. Doma vo Francúzsku vybudoval vlastnú sieť, v niektorých európskych krajinách si vyberie strategického a exkluzívneho partnera, v Čechách je to napríklad SimpleCell s T-Mobile a na Slovensku SimpleCell na infraštruktúre Towercom

Sieť na technológiu Sigfox je podobne ako sieť GSM budovaná na bunkovom princípe. Každá bunka má základňovú stanicu pokrývajúcu určitú oblasť. Dosah je pri priamej viditeľnosti približne 200 km, v členitejšom teréne 50 km a v urbanizovanej oblasti 2 – 10 km. Na komunikáciu sa ­využíva bezlicenčné frekvenčné pásmo, iné v Európe (868 MHz) a iné v USA (902 MHz). Najvyšší povolený vysielací výkon je 25 mW. Prenosový protokol umožňuje prenášať len veľmi malé objemy dát a nie veľmi často. Jeden paket obsahuje iba 12 bajtov a koncové zariadenie by malo denne preniesť maximálne 140 paketov, možno teda poslať správu raz za 10 minút. To predstavuje denný objem prenesených údajov 1680 bajtov. Limit počtu správ vyplýva z legislatívnych obmedzení. 

Komunikácia je optimalizovaná na odosielanie údajov z koncového zariadenia. Opačne, t. j. do zariadenia, sa predpokladá iba občasné prenášanie údajov, hlavne konfiguračných, prípadne potvrdenie prijatia vysielanej správy. Správa nemá predpísanú štruktúru, takže môže obsahovať čokoľvek. Na adresovanie zariadení sa využívajú interné identifikátory, akési sériové čísla, ktoré zrejme emituje nejaká certifikovaná autorita, a zariadenie alebo skupina zariadení sa zaregistruje u prevádzkovateľa pri aktivácii služby. Príjem správy nie je nijako garantovaný. Aby pravdepodobnosť jej prijatia bola čo najvyššia, správa sa vysiela trikrát, zakaždým na inej náhodne vybratej frekvencii. Vysielače prijatú správu pošlú na servery prevádzkovateľa, kde sa skontroluje jej validita a následne sa obsah správy sprístupní klientovi cez REST API, prípadne sa správa pošle na server klienta cez HTTP callback. Ako sme už spomenuli, Sigfox využíva pri prenose veľmi veľmi úzke pásmo, UNB (Ultra Narrow Band). Praktický a dosť nepríjemný dôsledok je ten, že ak sa zariadenie bude pohybovať vyššou rýchlosťou než približne 100 km/h, dôjde vplyvom Dopplerovho javu k frekvenčnému posunu a komunikácia bude neúspešná. Na riešenie tejto situácie sa využíva fakt, že zariadenie samo určuje, kedy chce komunikovať, takže by malo vysielať iba vtedy, ak je momentálne v pokoji. Sigfox umožňuje aj príjem správy zo siete, ale iba na vyžiadanie, ktoré sa vykoná vždy po vyslaní správy. Inak povedané, zo siete nemožno prebudiť zariadenie hibernované do energeticky úsporného režimu.

Budovanie siete Sigfox

Náklady na vybudovanie siete sú podľa dostupných informácií zhruba stokrát nižšie než na vybudovanie siete GSM pokrývajúcej rovnaké územie. Sigfox vo Francúzsku má 1000 základňových staníc a vybudovanie siete stálo 4 milióny dolárov. Na pokrytie Slovenska by vzhľadom na členitý terén bolo potrebných okolo 250 staníc. Za každé pripojené zariadenie sa platí ročný ­paušál medzi 1 – 9 EUR za zariadenie za rok podľa počtu odoslaných správ a počtu zaktivovaných zariadení.  Cena implementácie komunikačnej technológie Sigfox do produktu (čip s anténou) je menej než 5 dolárov.

Na Slovensku plánuje sieť Sigfox vybudovať SimpleCell Networks Slovakia v spolupráci so spoločnosťou Towercom, ktorá prevádzkuje sieť terestriálnych rozhlasových a televíznych vysielačov. Predmetom partnerstva týchto firiem je využívanie stožiarov a súvisiacej infraštruktúry spoločnosti Towercom. To umožní sieťou Sigfox pokryť viac ako 90 % územia Slovenska. SimpleCell plánuje na Slovensku postaviť približne 250 základňových staníc, ktoré pokryjú viac ako 90 percent územia do konca budúceho roka. V súčasnosti je pokrytých takmer 30 % územia SR a spustené sú už pilotné projekty.

Towercom bude zodpovedať za inštaláciu, servis a pravidelnú údržbu bázových staníc, ktoré budú prijímať a vysielať signály zo a do zariadení pripojených do siete Sigfox.

Resumé

Vzhľadom na technické špecifiká je Sigfox vhodný na scenáre, kde sa prenáša len veľmi málo údajov a nie pričasto. Ako príklad scenárov uvedieme diaľkové odpočty spotreby energií (elektrina, plyn, voda), zabezpečovacie systémy objektov či inteligentné parkovisko, kde by na každom parkovacom mieste bol senzor indikujúci jeho obsadenosť. Alebo monitorovanie kontajnerov na komunálny odpad, aby sa vyvážali iba vtedy, ak sú plné. Súčasťou obchodného modelu je aj bezplatný roaming, takže ak sa napríklad zariadenie na sledovanie zásielky či batožiny dostane do inej krajiny pokrytej sieťou Sigfox,bude bez problémov fungovať a komunikovať. Modemy pre Sigfox vyrába vo veľkom niekoľko firiem. Do systému sa integrujú pomocou sériovej zbernice a komunikácia sa ovláda pomocou AT príkazov, takže nič nebráni využitiu v hobby konštrukciách. Modem, samozrejme, musí byť zaregistrovaný u prevádzkovateľa siete.

Zobrazit Galériu

Nechajte si posielať prehľad najdôležitejších správ emailom

Mohlo by Vás zaujímať

ITPro

Vírusový radar: Autori BlackEnergy rozšírili svoj kyberšpionážny arzenál o GreyEnergy

13.12.2018 13:52

Tvorcovia BlackEnergy, známi vysoko sofistikovanými kybernetickými útokmi, opäť rozšírili svoj arzenál. Analytici ESET VirusLabu totiž odhalili podskupinu GreyEnergy, ktorá sa zameriava na špionáž, sl ...

ITPro

Huawei Eco-Connect Europe 2018: AI, IoT a 5G prinesú Európe smart budúcnosť

13.12.2018 10:55

V talianskom Ríme sa 8. a 9. novembra 2018 uskutočnila výročná akcia Huawei Eco-Connect Europe, na ktorej spoločnosť Huawei predstavila svoju stratégiu Platform + Ecosystem, ktorá zobrazuje komplexný ...

ITPro

DMS naozaj pomáhajú

13.12.2018 10:44

V súvislosti s podnikovou informačnou architektúrou sa stále častejšie hovorí o tzv. systémoch DMS. Skratka DMS pochádza z anglického Document Management System a zastrešuje aplikácie, ktoré predstavu ...

q

Žiadne komentáre

Vyhľadávanie

DOCKITIN

Najnovšie videá



PC forum button